Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой-твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рисунок 16-9, а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам (рисунок 16-10). Из этого рисунка следует, что жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рисунок 16-9,6 и 16-11), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

Рисунок 16-9. Насадочные абсорберы:

а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки: 1-корпуса; 2 -распределители жидкости; 3- насадка; 4 -опорные решетки; 5- перераспределитель жидкости; б-гидравлические затворы; в-эмульгационная насадочная колонна: 1-насадка; 2-сетка, фиксирующая насадку; 3-гидравлический затвор; 4-опорная решетка; 5-распределитель газа

Рисунок 16-10. Распределение орошающей жидкости по высоте насадочной колонны.

Рисунок 16-11. Перераспределители жидкости между слоями насадки:

а-конический; б-патрубковый; в-конический с патрубками.

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перете­кании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата.

К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность а (м²/м³) и свободный объем ε (м³/м³). Обычно величину ε определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε. Еще одной характеристикой насадки является ее свободное сечение S (м²/м²). Принимают, что свободное сечение насадки S равно по величине ее свободному объему, т. е. S = ε.

Гидродинамические режимы в насадочных абсорберах. Рассмотрим гидродинамические режимы в противоточных насадочных колоннах, используя графическую зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от скорости газа в колонне (рисунок 16-12).

' Первый режим -пленочный -наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке А на рисунок 16-12, называемой точкой подвисания.

Рисунок 16-12. Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне (L = const): 1-сухая насадка; 2-орошаемая насадка

Второй режим -режим подвисания (или торможения). После точки А повышение скорости газа приводит к заметному увеличению сил трения о жидкость на поверхности контакта фаз и подтормаживанию жидкости газовым потоком. Вследствие этого скорость течения пленки жидкости уменьшается, а ее толщина и количество удерживаемой жидкости в насадке увеличиваются. В режиме подвисания с повышением скорости газа нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно-интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В.

Третий режим -режим эмульгирования -возникает при превышении скорости, соответствующей точке В. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ-дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки (отрезок ВС на рисунок 16-12).

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффектив­ности насадочных колонн преимущественно вследствие увеличения контакта фаз, который в этом режиме определяется не столько поверхностью насадочных тел, сколько поверхностью образующей­ся газожидкостной эмульсии, заполняющей весь свободный объем насадки. Следует отметить, что это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В насадочных колоннах без специальных устройств поддерживать режим эмульгирования очень трудно, так как мал интервал изменения скоростей газа, при котором насадочная колонна работает в этом режиме (между точками В и С). Поэтому разработана специальная конструкция эмульгационной колонны (см. рисунок 16-9, в).

Как правило, работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения (например, если абсорбер работает при повышенных давлениях). Поэтому большинство насадочных адсорберов работает в пленочном режиме (т. е. при скоростях газа до точки А). Пределом устойчивой работы насадочных колонн является скорость газа, соответствующая точке инверсии (или захлебывания) w₃, которая определяется по следующему уравнению:

(16.21)

где а-удельная поверхность насадки, м²/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; S_св - свободное сечение насадки, м²/м²; w_ж-вязкость жидкости, сП; L' и G'-расходы жидкости и газа, кг/с; для систем газ-жидкость А = 0,079.

Из этого уравнения следует, что с увеличением плотности орошения (или расхода жидкости), вязкости жидкости и уменьшени­ем ее плотности скорость захлебывания снижается; для крупной насадки, имеющей большее свободное сечение, при одинаковых расходах жидкости и газа величина w₃ выше.

Четвертый режим (от точки С на рисунок 16-12 и выше) - режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппара­та газом. Этот режим в технике не используется.

Распределение газа. Равномерность распределения газа по сечению абсорберов зависит от способа его ввода в аппарат (см. гл. 5). При вводе по оси аппарата газ движется преимущественно в центральной его части, лишь постепенно заполняя все сечение аппарата (см. рисунок 5-1, а).

При боковом вводе входящая струя газа движется к противопо­ложной стенке и, ударяясь о нее, поворачивает затем вверх (см. рисунок 5-1, г). Изменение конструкции входного и выходного отверстий не оказывает существенного влияния на распределение струи. Наличие же опорно-распределительной решетки значительно повышает равномерность движения газа в основном объеме аппарата, причем это явление наблюдается в случае, если коэффициент сопротивления ζ_р решетки больше некоторой величины ζ_опт, которая определяется по справочникам.

Рассмотренный случай относится к распределению газа в полой колонне. Для создания более равномерного движения газового потока по сечению полой колонны служат дополнительные спрям­ляющие устройства 2 (см. рисунок 5-1, в, е). В насадочной колонне роль спрямляющего устройства выполняют прежде всего нижние слои насадки. Однако и для насадочных колонн очень важным является равномерный по сечению колонны ввод газа под опорную решетку, для того чтобы избежать байпасирования газа в насадке по ее высоте. С этой целью расстояние между днищем абсорбера и насад­кой делают достаточно большим. Обычно это расстояние принима­ют равным 1,0 - 1,5D.

Рисунок 16-13. Виды насадки:

а-насадка из колец Рашига: 1- отдельное кольцо; 2 -кольца навалом; 3 -регулярная насадка; б-фасонная насадка: 1-кольца Палля; 2-седлообразная насадка; 5-кольца с крестообразными перегородками; 4- керамические блоки; 5-витые из проволоки насадки; 6-кольца с внутренними спиралями; 7-пропеллерная насадка; 8- деревянная хордовая насадка

Выбор насадки. Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь возможно большее значение сво­бодного объема или сечения насадки; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения е или S_св; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности а насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допус­тимых скоростей газа и т.д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различ­ных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига (рисунок 16-13, а), имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 х 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку-регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Хордовую насадку (см. рисунок 16-13,6) обычно применяют в абсорберах большого диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок, часть из которых представлена на рисунок 16-13,6. В табл. 16.1 приведены основные характеристики насадок некоторых типов.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с уве­личением размеров ее элементов увеличивается допустимая ско­рость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера снижается.

Таблица 16.1. Характеристики насадок

Насадка	РАзмеры элемента, мм	Удельная поверхность, м2/м3	Свободный объём, м3/м3	Эквивалентный диаметр, м	Масса 1 м3 насадки, кг
Регулярная насадка
Деревянная хордовая (шаг в свету 10х100 мм) Керамические кольца Рашига	10 20 50х50х50 80х80х8 100х100х100	100 65 110 80 60	0,55 0,68 0,735 0,720 0,720	0,022 0,042 0,027 0,036 0,048	210 145 650 670 670
Засыпка внавал
Керамические кольца Рашига Стальные кольца Рашига Керамические кольца Паля Стальные кольца Паля Керамические седла Берля	15х15х2 25х25х3 50х50х5 10х10х0,5 15х15х0,5 25х25х0,8 25х25х3 50х50х5 25х25х0,6 50х50х1 12,5 25 38	330 200 90 500 350 220 220 120 235 108 460 260 165	0,700 0,740 0,785 0,880 0,920 0,920 0,740 0,780 0,900 0,900 0,680 0,690 0,700	0,009 0,015 0,035 0,007 0,009 0,017 0,014 0,026 0,01 0,033 0,006 0,011 0,017	690 530 530 960 660 640 610 520 525 415 720 670 670

Общая стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра абсорбера, несмотря на то что высота насадки несколько увеличится по сравнению с таковой в абсорбере, заполненном насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов. При абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку. Мелкая насадка предпочтительнее при проведении абсорбции под повышенным давлением, так как при этом потеря напора В абсорбере составит малую долю от общего давления газовой смеси.

При выборе размера насадки необходимо соблюдать условие, , при котором отношение диаметра D колонны к эквивалентному диаметру d_э насадки D/d_э > 10 [см. уравнение (6.62)].

В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые абсорберы с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких абсорберах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В абсорберах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3-5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.

Оросители. Очень важной проблемой для нормальной работы абсорбера является равномерное орошение насадки. Для этой цели применяют специальные устройства-оросители (рисунок 16-14), которые подразделяют на струйчатые и разбрызгивающие. К струйчатым оросителям относятся распределительные плиты, желоба, брызгалки, оросители типа сегнерова колеса и другие (рисунок 16-14, а-е), а к разбрызгивающим-тарельчатые, вращающиеся центробежные и другие оросители (рисунок 16-14, ж, з). Следует, однако, помнить, что первоначальное распределение жидкости не сохраняется при дальнейшем ее течении по насадке (см. рисунок 16-10).

От способа подачи орошения существенно зависят такие явления в насадочных колоннах как брызгоунос и величина смоченной поверхности насадки. Унос жидкости с газом возникает в основном в результате воздействия газа на струи жидкости, вытекающей из оросителя. Особенно большой унос наблюдается при орошении разбрызгивающими оросителями, а также в случаях, когда жидкость вытекает из струйчатых оросителей на достаточно большом расстоянии над насадкой. Для снижения уноса над оросителем укладывают слой брызгоулавливающей насадки, устанавливают ловушки брызг на выходе газа из колонны и т. п.

При работе насадочной колонны в пленочном режиме обычно не вся поверхность насадки смочена жидкостью. В этом случае поверх­ность массопередачи будет меньше поверхности насадки. Отношение удельной смоченной поверхности а_см ко всей удельной поверхности насадки называется коэффициентом смачивания насадки и обозначается через у, т. е. ѱ = а_см/а. Значение ѱ в большой степени зависит от величины плотности орошения U и способа подачи орошения на насадку, или от числа точек орошения п_ор. С увеличением U и п_ор до определенных значений величина ѱ возрастает, после чего остается практически постоянной. Она также растет с увеличением насадочных тел. Изменение скорости газа на значение коэффициента ѱ заметного влияния не оказывает.

Следует также отметить, что не вся смоченная поверхность активна для массопередачи. Это объясняется тем, что активной является лишь поверхность, покрытая текущей пленкой жидкости. Части поверхности, покрытые неподвижной пленкой жидкости, не являются активными. Отношение удельной активной поверхности насадки а_а ко всей удельной поверхности насадки а характеризует долю ее активной поверхности ѱ_а, т.е. ѱ _а = а_a/a. Значение ѱ _а при U < 0,003 м³/(м² • с) для регулярной насадки (кольца, трубки и т. д.) может быть определено по приближенному выражению

ѱ _а = U/(0,0005 + 0;8U).

Рисунок 16-14. Оросители:

а-в- распределительные плиты: а - с затопленными отверстиями; б - с затопленными отверстиями и газовыми патрубками; в-со свободным сливом (1 -решетка; 2 -патрубки для жидкости; 5-патрубки для газа); г-распределительные желоба; д- брызгалки (1-цилиндрическая; 2 -полушаровая; 3-щелевая); е - ороситель типа сегнерова колеса (1-вращающаяся дырчатая труба; 2-подпятник); ж, з - разбрызгивающие оросители: ж-тарельчатые разбрызгиватели (1 - с тарелкой с бортами; 2 - с тарелкой без бортов; 3-многотарельчатый); з-центробежный (1 -привод; 2-распределительный конус; 3-разбрызгиватель)

Рисунок 16-15. Схемы проведения процесса абсорбции: а-противоточная; б-прямоточная

При U > 0,003 м³/(м² • с) для регулярной насадки вся поверхность практически оказывается смоченной и при этом ѱ _а ≈ 1. Если насадка засыпана внавал, то ее активную поверхность можно приближенно определить по следующему уравнению:

а_а = 85U/(0.00125+ U).

Из рассмотренного материала по устройству и принципу действия насадочных колонн следует, что эти аппараты, как правило, работают по принципу противоточного движения фаз. На рисунок 16-15 проведено сопоставление работы противоточных и прямоточных насадочных абсорберов.

При противоточной схеме абсорбции (рисунок 16-15, а) газ идет через абсорбер снизу вверх, а жидкость стекает вниз. При этом уходящий газ соприкасается со свежим абсорбентом, над которым парциальное давление поглощаемого компонента очень мало или даже равно нулю. Поэтому при противотоке можно достичь более полного извлечения компонента из газовой смеси, чем при прямоточной схеме (рисунок 16-15,6), поскольку уходящий газ в этом абсорбере соприкасается с концентрированным раствором поглощаемого газа (т.е. Y_K при противотоке меньше Y_K при прямотоке), что приводит к снижению расхода абсорбента.

К основным достоинствам насадочных колонн следует прежде всего отнести простоту устройства и низкое гидравлическое сопротивление, а к недостаткам-сложность отвода теплоты, плохую смачиваемость насадки при низких плотностях орошения, большие объемы насадки вследствие недостаточно высокой ее эффективности (по сравнению с тарельчатыми аппаратами).